CN113926330B - 一种微纳米气泡发生器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种改进的微纳米气泡发生器，包括：进液流道、渐缩流道、进气流道、喉部流道、渐扩流道、混合流道、壳体；所述进液流道连通渐缩流道，所述渐缩流道、喉部流道、渐扩流道依次连接，形成文丘里管状的过水流道结构，所述过水流道结构包括多个；所述壳体包覆多个过水通道结构的渐缩流道、喉部流道、渐扩流道，且壳体内表面与多个过水通道结构外表面之间形成储气室，所述进气管设置于壳体上，所述进气管连通储气室，所述储气室通过多个进气口连通部分过水流道结构的喉部流道；其具备更大的吸气量，单位时间生成气泡数量增多，而且气泡粒径更小、均匀化程度也得以提高。

Description

一种微纳米气泡发生器

技术领域

本发明属于气液两相混合装置，具体涉及一种微纳米气泡发生器。

背景技术

微纳米气泡具有尺寸较小，具有存在时间长、较高的界面电位和传质效率高等特性，在水中通入微纳米气泡，可有效分离水中固体杂质、快速提高水体氧浓度、杀灭水中有害病菌、降低固液界面摩擦系数，因此在气浮净水、水体增氧、臭氧水消毒和微气泡减阻等领域中，相比于宏观气泡具有更高的效率，应用前景也更为广阔。根据微纳米气泡产生的不同机制可将现有的微纳米气泡产生方式分为分散空气法、溶气释气法、电解法、化学法等。

物理剪切破碎微气泡该种气泡发生器的工作原理是建立在质量守恒定律基础上，物理切割的微纳米气泡发生器，主要是通过高速旋流、水力剪切等方式把空气剪切破碎，其能切割形成微细气泡且效率较高。该种型式在现今气泡发生器中具有很大的优势。相比于溶气释放法，此微气泡发生器不需要加压溶气，节省大量能耗，同时，具有结构简单、不宜堵塞、成泡效率高的优点。

微纳米气泡相较于普通气泡，拥有存在时间长、气液传质率高、界面点位高、能自发产生自由基等特点，可广泛应用于水处理、生物制药、水体增氧、气浮净水等领域，且逐渐在污废水处理、地下水水土环境修复等环境污染控制领域中展现出了一定的技术优势以及较为良好的应用前景。虽然现已有一部分专用于产生微纳米气泡的气泡发生器，但在实际应用中，仍然存在着粒径更小、均匀化程度更高的性能需求。

发明内容

基于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种改进的微纳米气泡发生器，其具备更大的吸气量，单位时间生成气泡数量增多，而且借助内部结构的改进，增大了液流对气体的剪切破碎能力，使得气泡粒径更小、均匀化程度也得以提高。

本发明采用的技术方案如下：一种微纳米气泡发生器，其特征在于，包括：进液流道、渐缩流道、进气流道、喉部流道、渐扩流道、混合流道、壳体；所述进液流道连通渐缩流道，所述渐缩流道、喉部流道、渐扩流道依次连接，形成文丘里管状的过水流道结构，所述过水流道结构包括多个；所述壳体包覆多个过水通道结构的渐缩流道、喉部流道、渐扩流道，且壳体内表面与多个过水通道结构外表面之间形成储气室，所述进气管设置于壳体上，所述进气管连通储气室，所述储气室通过多个进气口连通部分过水流道结构的喉部流道。

根据本发明的微纳米气泡发生器具有吸气量大、气泡直径小、气泡尺寸均匀度高等优点。

所述渐缩流道、喉部流道、渐扩流道内部组成贯穿前后的类文丘里管状的过水流道结构，所述过水流道结构包括位于轴心的中心流道和圆周阵列在中心流道周围的圆周流道，所述中心流道和圆周流道均由渐缩流道、喉部流道和渐扩流道三部分组成，且中心流道和多个圆周流道并联式设置。所述储气室通过多个进气口与多个圆周流道一一连通。

中心流道和圆周流道的呈锥段的渐缩流道在进口处交汇并与进液流道相连通，所述中心流道的喉部流道为圆柱形流道，其下游连接锥形的渐扩中心流道；所述圆周流道的喉部流道采用阶梯喉部形式，由两段直径不同的圆柱形流道阶梯式连接在一起，阶梯比设为1.05-1.15，所述进气口设置较大直径的圆柱形流道的前端，以优化喉部的负压吸气效果，提高总吸气量，增大气液比，产生更多的微小气泡，圆周流道的喉部流道的直径较大的圆柱形流道下游处连接锥形的渐扩圆周流道。

渐扩中心流道和渐扩圆周流道在出口处交汇相通与混合管相连，且渐扩中心流道渐扩角大于圆周流道的渐扩角，在渐扩段形成更强的空化效应，利用其空化泡溃灭产生的高温高压高能，破碎其它流道的微气泡群。

与圆周流道的喉部流道相连通的进气口为均匀分布的圆柱形通道，所述圆柱形通道的直径小于等于1mm，较小内径的孔道使得进入的气体为细长圆柱体，喉部流道的高速流体可以将气柱有效切割为气泡形态，大气泡会被高速流体剪切细化为小气泡，并与高速流体混合。位于喉部的进气口可以产生抽吸作用，不需要另设置进气系统。

所述中心流道的喉部流道无进气口、无阶梯喉部，由于无进气影响其负压场，可以在渐扩段形成大面积空化流场。相比于中心流道进气或无中心流道条件下，气体吸入量略有减小，但在下游流道中产生了两次气泡破碎过程，二次破碎有效的利用了空化溃灭产生能量，使气泡粒径进一步缩小。

所述圆周流道由多个文丘里管并联组成，进气口均布于圆周流道的喉部流道上，相比于单流道设计，增大了气体在喉部的扩散程度，可以有效增加气液接触面积，提高湍流剪切过程中液体的利用率，使其气体处理量增大，同时提高产生气泡的均匀化程度。

喉部流道和渐扩流道前部分主要进行水流对气泡的剪切破碎过程，多流道的存在增大了气液接触面积，增强了剪切破碎过程。在各流道交汇处利用空化溃灭产生能量进行二次破碎。两级破碎过程共同作用下，有效的减小了气泡粒径。

本发明的优点在于：

1、进气口设置在喉部流道表面，利用文丘里管结构的负压抽吸作用，不需要另设置进气系统；

2、采用多流道并联的类文丘里流道，进气口置于圆周流道表面，使各流道单独进气，相比于单流道设计，使气体在喉部扩散度增大，可以有效增加气液接触面积，提高湍流剪切过程中液体的利用率，在提升气液比的同时，增大气泡均匀化程度。

3、在外侧圆周排布的多个流道的喉部设为阶梯喉部，进气口置于较大直径喉管前端，优化阶梯入口负压吸气效果，提高总吸气量，产生更多的微小气泡。

4、中心流道不设置进气口，且其渐扩角大于圆周流道的渐扩角，一方面无进气影响下其喉部负压更低，可以在喉部形成大面积空化场，另一方面渐扩角的增大也增强了其在渐扩段的空化效应，在各流道交汇处利用其空化泡溃灭产生的高温高压高能，对圆周流道的气泡形成二次破碎作用，形成更小粒径的气泡，且能够提高气体处理量。

附图说明

图1是本发明微纳米气泡发生器的结构侧剖视图；

图2是本发明微纳米气泡发生器的立体结构视图；

图3是本发明微纳米气泡发生器喉部结构示意图；

图4是本发明微纳米气泡发生器喉部和扩散段结构示意图；

图5是本发明微气泡发生器与单流道气泡发生器产生气泡颗粒图对比，其中(a)是单流道气泡发生器产生的气泡颗粒图，(b)是本发明微纳米气泡发生器产生的气泡颗粒图；

图中：壳体1、进液流道2、混合流道3、渐缩流道4、渐扩流道5、中心流道6、圆周流道7、中心喉部流道8、圆周喉部流道9、圆周阶梯喉部10、中心渐扩流道11、圆周渐扩流道12、进气口13、储气室14、气体入口15。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明微纳米气泡发生器的结构侧剖视图，图2是本发明微纳米气泡发生器的立体结构视图，如图1-2所示，本发明的微纳米气泡发生器，包括壳体1，壳体1内部形成进液流道2、微纳米气泡生成结构和混合流道3，所述微纳米气泡生成结构外部设置有储气室14，所述储气室14与所述壳体1一体式生成且包覆在对应微纳米气泡生成结构部位的外部，通过气体入口15连通储气室14，供外部气源输送气体至储气室14内。

所述微气泡生成结构部分设置多个文丘里管状的过水通道结构，图3是本发明微纳米气泡发生器喉部结构示意图，图4是本发明微纳米气泡发生器喉部和扩散段结构示意图；结合图1-4，所述微气泡生成结构部分包括位于轴心的中心流道6和环设在中心流道6周围的多个圆周流道7，本实施例中，圆周流道7的数量设置为五个，所述中心流道6和圆周流道7均由渐缩流道4、喉部流道和渐扩流道5组成，渐缩流道4和渐扩流道5可采用拔模方式扩展生成，渐缩流道4的锥角设置为20～25°，渐扩流道5的锥角设置为10～15°。其中每一个圆周流道7的喉部流道均通过进气口13与所述储气室14连通，而中心流道6的喉部流道不设置进气口13；所述进气口13为直径小于或等于1mm、长度在10～15mm之间的圆柱形通道，小内径的圆柱形通道使得气体呈细长圆柱体状进入喉部流道内，经喉部流道内的高速流体将细长的气柱有效切割为气泡形态，且大气泡在高速流体的剪切作用下再次细化为小气泡，并与高速流体混合。同时，多流道的设计增大了气液接触面积，提高湍流剪切过程中液体的利用率，强化了气泡破碎过程，增加了气泡生成数量。

另外，本发明的发生器中微气泡生成结构部分仅在圆周流道7的喉部流道位置处设置进气口，在中心流道6的喉部流道不设置进气口13，使中心流道6不受进气影响，其喉部负压更低，从而在微气泡生成结构的喉部中心位置处形成大面积空化场。

参见图4，中心流道6的喉部流道为细长圆柱段的中心喉部流道8，其下游处连接中心渐扩流道11；所述圆周流道7的喉部流道为圆周喉部流道9，所述圆周喉部流道9包括两段直径不同的细长圆柱段，两段直径不同的细长圆柱段由圆周阶梯喉部10连接，进气口13设置在圆周阶梯喉部10下游处的直径较大的细长圆柱段上，两段直径不同的细长圆柱段的阶梯比设为1.05-1.15，可优化负压吸气效果，提高总吸气量，且该直径较大的细长圆柱段下游处连接圆周渐扩流道12。所述中心渐扩流道11的圆锥角大于所述圆周渐扩流道12的圆锥角，使得中心渐扩流道11具备更大于所述圆周渐扩流道12的扩散角度，促使在扩散段形成空化流场，利用空化泡溃灭的能量破碎圆周流道内形成的气泡群，提高气体处理量，减小气泡粒径，增加气泡均匀度。在中心流道6的喉部流道位置处不设置进气口，不仅降低了加工难度，而且中心渐扩流道11的空化流场对本发明的微纳米气泡发生器的性能产生了有益的效果，使得本发明的微纳米气泡发生器在具备较大吸气量的情况下，产生的气泡粒径更小、均匀化程度增高。

图5是本发明微气泡发生器与单流道气泡发生器产生气泡颗粒图对比，其中(a)是单流道气泡发生器产生的气泡颗粒图，(b)是本发明微纳米气泡发生器产生的气泡颗粒图；通过图像的直观对比，可明显看出，相对于单文丘里管气泡发生器，本发明的多通道结构的微纳米气泡发生器所产生的气泡数量成倍数的显著增加，表明其吸气量更大。在大吸气量的前提下，多流道式微气泡发生器气泡均匀化程度更高，气泡破碎效果更优。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种等效结构或等效流程的修改或变形，或直接或间接运用到其他相关的技术领域，仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种微纳米气泡发生器，包括壳体，壳体内部形成进液流道、微纳米气泡生成结构和混合流道，所述微纳米气泡生成结构外部设置有储气室，所述储气室与所述壳体一体式生成且包覆在对应微纳米气泡生成结构部位的外部，气源通过气体入口连通储气室；

所述微纳米气泡生成结构包括位于轴心的中心流道和环设在中心流道周围的多个圆周流道，所述中心流道和圆周流道均由渐缩流道、喉部流道和渐扩流道组成，每一个圆周流道的喉部流道均通过进气口与所述储气室连通，中心流道的喉部流道不设置进气口；

所述中心流道的渐缩流道以及所述圆周流道的渐缩流道均连通所述进液流道，所述中心流道的渐扩流道以及所述圆周流道的渐扩流道均连通所述混合流道；

所述中心流道的喉部流道为细长圆柱段的中心喉部流道。

2.根据权利要求1所述的微纳米气泡发生器，其特征还在于，所述进气口为直径小于或等于1mm的圆柱形通道。

3.根据权利要求1所述的微纳米气泡发生器，其特征还在于，所述圆周流道的喉部流道为阶梯喉部形式的圆周喉部流道，所述圆周喉部流道包括两段直径不同的细长圆柱段，两段直径不同的细长圆柱段由圆周阶梯喉部连接，且直径较大的细长圆柱段位于直径较小的细长圆柱段的流体下游，进气口设置在临近圆周阶梯喉部处的直径较大的细长圆柱段上。

4.根据权利要求3所述的微纳米气泡发生器，其特征还在于，阶梯喉部形式的圆周喉部流道的阶梯比为1.05～1.15。

5.根据权利要求1或3所述的微纳米气泡发生器，其特征还在于，所述中心流道的喉部流道下游处连接中心渐扩流道；所述圆周流道的喉部流道下游处连接圆周渐扩流道，所述中心渐扩流道的圆锥角大于所述圆周渐扩流道的圆锥角。

6.根据权利要求1所述的微纳米气泡发生器，其特征还在于，渐缩流道和渐扩流道采用拔模方式扩展生成，渐缩流道的锥角设置为20～25°，渐扩流道的锥角设置为10～15°。